KR20070059312A

KR20070059312A - 수직 외부 공진기형 면발광 레이저 소자 및 이를 구비하는레이저 시스템

Info

Publication number: KR20070059312A
Application number: KR1020050118016A
Authority: KR
Inventors: 김준연; 김기성
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2005-12-06
Filing date: 2005-12-06
Publication date: 2007-06-12

Abstract

광을 발생시키는 활성층과, 이 활성층에서 발생된 광을 반사시켜 외부 미러와 함께 공진기를 구성하는 반사기를 각각 포함하는, 서로 다른 파장의 광을 발생시키는 복수의 레이저 소자부를 구비하며, 공통의 펌핑 광원을 사용하여 복수의 레이저 소자부의 활성층에서 펌핑이 이루어지도록 된 것을 특징으로 하는 수직 외부 공진기형 면발광 레이저 소자 및 이를 구비하는 레이저 시스템이 개시되어 있다.

Description

수직 외부 공진기형 면발광 레이저 소자 및 이를 구비하는 레이저 시스템{Vertical External cavity surface emitting laser device and laser system having the same}

도 1은 일반적인 수직 외부 공진기형 면발광 레이저(VECSEL) 시스템의 개략적인 단면도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 외부 공진기형 면발광 레이저 소자의 일 실시예를 보여준다.

도 3a는 도 2의 제1레이저 소자부의 제1반사기, 제1활성층의 구조를 예시적으로 보여준다.

도 3b는 도 2의 제2레이저 소자부의 제2반사기, 제2활성층의 구조를 예시적으로 보여준다.

도 4는 파장 및 굴절율 조건이 동일한 로우 헤르핀 인덱스(LHI) DBR과 하이 헤르핀 인덱스(HHI) DBR의 파장에 따른 반사율 특성을 비교하여 보인 그래프이다.

도 5a는 도 2의 제1반사기를 제2파장(λb)의 광에 대해 무반사 코팅 특성을 갖고, 대략 920 nm 파장(제1파장(λa))의 광에 대해 최대의 고 반사율을 나타내도록 된 하이 헤르핀 인덱스(HHI) DBR로서 형성할 때의, 파장에 따른 반사율 R3(λ) 특성을 보인 그래프이다.

도 5b는 도 2의 제2반사기를 펌핑 빔(예컨대, 808nm 파장의 펌핑빔)에 대해서 무반사 코팅 특성을 갖고, 대략 1060 nm 파장(제2파장(λb))의 광에 대해 최대의 고 반사율을 나타내도록 된 로우 헤르핀 인덱스(LHI) DBR로서 형성할 때의, 파장에 따른 반사율 R2(λ) 특성을 보인 그래프이다.

도 5c는 도 5a 및 도 5b의 반사율 특성을 결합한 그래프로, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 및 제2반사기를 구비하는 레이저 소자에 대한, 파장에 따른 반사율 R1(λ) 특성을 보여준다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직 외부 공진기형 면발광 레이저 소자를 보여준다.

도 7a 및 도 7b는 도 6에서와 같은 스택 구조를 이룰 때, 제1 및 제2반사기의 파장에 따른 반사율 R5(λ), R6(λ) 특성을 보여준다.

도 7c는 도 7a 및 도 7b의 반사율 특성을 결합한 그래프로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1 및 제2반사기를 구비하는 레이저 소자에 대한, 파장에 따른 반사율 R4(λ) 특성을 보여준다.

도 8은 본 발명에 따른 레이저 소자를 구비하는 수직 외부 공진기형 면발광 레이저 시스템의 일 실시예를 보여준다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

20,70,100...레이저 소자 30,50...제1 및 제2레이저 소자부

31,51...제1 및 제2활성층 35,55...제1 및 제2반사기

40...열확산기 57...반사방지층

101,105...펌핑 광원 110...파장 선택성 빔 분리기

121,131...복굴절 필터 123,127,133,137...미러

125,135...제1 및 제2 2차 조화파 발생소자

본 발명은 수직 외부 공진기형 면발광 레이저(Vertical External Cavity Surface Emitting Laser; VECSEL) 소자 및 이를 구비하는 레이저 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복수 파장의 광을 발생시키는 수직 외부 공진기형 면발광 레이저 소자 및 이를 구비하는 레이저 시스템에 관한 것이다.

멀티미디어 사회로의 급진전과 함께, 표시 화면의 대형화 및 고화질화가 요구되고 있다. 최근에는 높은 해상도에 더하여 보다 자연스러운 자연색의 구현이 중요시되고 있다.

완벽한 자연색 구현을 위해서는 레이저와 같은 색순도가 높은 광원의 이용이 필수적이다. 레이저광을 이용해 화면을 구현하는 장치 중의 하나가 스캐너를 이용한 주사 광학 레이저 이미징(imaging) 시스템 즉, 레이저 텔레비전 등의 디스플레이 장치이다. 레이저광을 이용하여 대형 프로젝션 장치를 구현하기 위해서는, 고출력의 레이저가 요구된다.

디스플레이 장치는 칼라 이미지 구현을 위해 적색(R)(625nm), 녹색(G)(532nm), 및 청색(B)(460nm)의 광원을 각각 필요로 한다. 현재, 적색인 625nm의 파장을 방출하는 고출력 레이저는 많이 상용화되어 있다. 한편, 녹색인 532nm의 파장을 방출하는 고출력 레이저로는 다이오드 펌프드 고체(Diode pumped solid state; DPSS) 레이저가 있다. 그러나, 상기 DPSS 레이저는 아직까지 비교적 가격이 비싸다. 더욱이, 청색인 460nm의 파장을 방출을 하는 고출력 레이저는 아직까지도 제조하기가 매우 어려우며, 발광 효율이 낮아 높은 출력을 내기도 어렵다.

이에 따라, 주로 적외선 영역의 파장을 방출하는 수직 외부 공진기형 면발광 레이저(Vertical External Cavity Surface Emitting Laser; VECSEL) 소자와 빛의 주파수를 2배로 만드는 2차 조화파 발생(Second Harmonic Generation; SHG) 소자를 결합하여 고출력의 청색이나 녹색을 얻는 기술이 제기되었다.

일반적으로 반도체 레이저에는, 발진되는 레이저빔이 기판에 수평한 방향으로 방출되는 측면 발광 레이저(Edge Emitting Laser)와 발진되는 레이저빔이 기판에 수직한 방향으로 방출되는 수직 공진기형 면발광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser; VCSEL)가 있다. 이들 중에서 수직 공진기형 면발광 레이저(VCSEL)는 매우 좁은 스펙트럼의 단일 종모드 발진을 할 뿐 아니라, 빔의 방사각이 작아 접속효율이 높고, 면발광의 구조상 다른 장치의 집적이 용이한 장점이 있다.

수직 공진기형 면발광 레이저(VCSEL)는 일반적으로, 활성층의 상하부에 매우 높은 반사율을 갖는 상부 분산 브래그 반사기(distributed brag reflector; DBR)와 하부 분산 브래그 반사기가 마련된 구조를 가진다. 이러한 구조에서, 상부 DBR과 하부 DBR에 각각 마련된 전극을 통해 전압을 인가하면, 정공과 전자가 활성층 내에 서 재결합하여 광이 발생한다. 이 광은 상부 DBR과 하부 DBR 사이에서 반사를 반복하면서 증폭된 후, 예를 들어, 상부 DBR 면을 통해 레이저광으로서 방출된다. 그러나, 이러한 일반적인 VCSEL은 단일 횡모드 발진이 측면 발광 레이저에 비해 매우 어려우며, 단일 횡모드 동작을 위해서는 발진 영역의 면적이 좁아야 하고, 따라서 출력이 약하다는 문제가 있다.

상술한 VCSEL의 장점을 살리고 동시에 고출력 동작을 구현하기 위하여 제안된 새로운 레이저 소자가 수직 외부 공진기형 면발광 레이저(Vertical External Cavity Surface Emitting Laser; VECSEL)이다. 상기 수직 외부 공진기형 면발광 레이저(VECSEL)는 VCSEL의 상부 DBR을 레이저 소자 외부의 미러(External Mirror)로 대체하여 이득(Gain) 영역을 증가시킴으로써 수~수십W 이상의 고출력을 얻도록 하였다.

도 1을 참조하면, 일반적인 VECSEL 소자는 히트싱크(11) 위에 부착된 레이저 발진부(10)를 포함한다. 상기 레이저 발진부(10)는 기판(12), 분산 브래그 반사기(DBR)와 같은 고반사층(13), 활성층(14), 상기 활성층(14)에 입사하는 광의 반사를 방지하는 반사방지 코팅층(15)을 포함한다. 상기 히트싱크(11)는 레이저 발진부(10)에서 발생하는 열을 방출하여, 상기 레이저 발진부(10)를 냉각시키는 역할을 한다. 또한, 상기와 같은 VECSEL 소자를 가지는 VECSEL 장치는 상부 DBR 대신에 오목한 외부 미러(16)를 포함한다. 따라서, 공진 캐비티(cavity)는 활성층(14) 하부 의 고반사층(13)과 상기 외부 미러(16) 사이에 형성된다.

이러한 구조에서, 펌프 레이저(pump laser)(17)에서 방출된 파장 λ1의 광빔이 콜리메이팅 렌즈(18)를 통해 레이저 발진부(10)로 입사되면, 상기 파장 λ1의 광빔에 의해 활성층(14)이 여기되면서 특정 파장(λ2)의 광을 내어놓는다. 이렇게 발생한 광은 활성층(14) 하부의 고반사층(13)과 외부 미러(16) 사이에서 반사를 되풀이하면서, 활성층(14)을 왕복한다. 이러한 과정을 통해 활성층(14) 내에서 증폭된 특정 파장(λ2)의 광의 일부는 상기 외부 미러(16)를 통해 레이저빔으로서 외부로 출력되며, 나머지는 다시 반사되어 활성층(14)으로 입사하여 광펌핑에 사용된다.

상기 활성층(14)은 다수의 양자우물층과 장벽층으로 구성된 RPG(Resonant Periodic Gain) 구조를 가질 수 있다. 펌프 레이저(17)에서 방출된 광빔은 상기 양자우물층에서 흡수되며, 이에 따라 여기된 전자와 정공이 상기 양자우물층 내에서 재결합하면서 광이 방출된다. 방출된 광은 DBR(13)과 외부 미러(16) 사이에서 정상파(standing wave)를 형성하는데, 상기 양자우물층은 펌핑된 광의 이득을 최대화하기 위해 정상파의 안티노드(anit-node)(즉, 변위의 크기가 최대가 되는 점)에 위치한다.

상술한 구조의 VECSEL 시스템은 고출력의 레이저빔을 방출할 수 있기 때문에, 상기 VECSEL 소자에 SHG 소자를 결합하여 고출력의 청색이나 녹색 발광용 레이저 광원을 얻을 수 있다. 그러나, 이러한 방식의 청색 발광용 레이저 광원과 녹색 발광용 레이저 광원을 별도로 사용하는 것은, 칼라 구현을 위해 삼원색 각각에 대 해 도 1에서와 같은 셋업(Set-up)을 필요로 하기 때문에, 제조 단가가 매우 높고, 3개의 파장을 구현하기 위해서는 장치의 부피가 커지는 단점을 가진다. 따라서, 하나의 레이저 장치를 이용하여 복수 파장의 레이저광을 방출할 수 있는 다중 파장 레이저 광원에 대한 요구가 증가하고 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 컴팩트한 부피 및 제조 단가 절감을 실현할 수 있도록 복수 파장의 레이저광을 발생시키는 수직 외부 공진기형 면발광 레이저 소자 및 이를 구비하는 레이저 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 레이저 소자는, 광을 발생시키는 활성층과, 상기 활성층에서 발생된 광을 반사시켜 외부 미러와 함께 공진기를 구성하는 반사기를 각각 포함하는, 서로 다른 파장의 광을 발생시키는 복수의 레이저 소자부를 구비하며, 공통의 펌핑 광원을 사용하여 상기 복수의 레이저 소자부의 활성층에서 펌핑이 이루어지도록 된 것을 특징으로 한다.

상기 복수의 레이저 소자부에서 발생하는 열을 외부로 방출할 수 있는 열확산기;를 더 포함할 수 있다.

상기 열확산기는 상기 복수의 레이저 소자부에서 발생된 광 및 펌핑 광에 대해 투명 물질로 이루어진 것이 바람직하다.

상기 열확산기는, 다이아몬드, 실리콘 카바이드(SiC) 및 Al₂O₃를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있다.

상기 복수의 레이저 소자부는, 제1파장의 광을 발생시키는 제1활성층과, 이 제1활성층에서 발생된 광을 반사시키는 제1반사기를 포함하는 제1레이저 소자부와; 상기 제1파장과는 다른 제2파장의 광을 발생시키는 제2활성층과, 이 제2활성층에서 발생된 광을 반사시키는 제2반사기를 포함하는 제2레이저 소자부;를 포함하며, 상기 제1 및 제2레이저 소자부는, 상기 열확산기의 동일면쪽에 스택 구조로 위치되어, 광이 방출되는 쪽에서부터, 열확산기, 제1활성층, 제1반사기, 제2활성층, 제2반사기 순서로 스택 구조를 이루도록 될 수 있다.

상기 복수의 레이저 소자부는, 제1파장의 광을 발생시키는 제1활성층과, 이 제1활성층에서 발생된 광을 반사시키는 제1반사기를 포함하는 제1레이저 소자부와; 상기 제1파장과는 다른 제2파장의 광을 발생시키는 제2활성층과, 이 제2활성층에서 발생된 광을 반사시키는 제2반사기를 포함하는 제2레이저 소자부;를 포함하며, 상기 제1 및 제2레이저 소자부는, 상기 열확산기의 서로 다른 면에 위치되어, 광이 방출되는 쪽에서부터 제1활성층, 제1반사기, 열확산기, 제2활성층, 제2반사기 순서로 스택 구조를 이룰 수 있다.

이상에서, 상기 제2파장이 상기 제1파장보다 장파장일 때, 상기 제1레이저 소자부의 제1반사기는 상기 제2레이저 소자부로부터 발생된 장파장의 레이징 빔에 대해서 무반사 코팅 특성을 갖도록 된 하이 헤르핀 인덱스 분산 브래그 반사기 (high Herpin index DBR)로 형성되고, 상기 제2파장이 상기 제1파장보다 단파장일 때, 상기 제1레이저 소자부의 제1반사기는 상기 제2레이저 소자부로부터 발생된 단파장의 레이징 빔에 대해서 무반사 코팅 특성을 갖도록 된 로우 헤르핀 인덱스 분산 브래그 반사기(low Herpin index DBR)로 형성될 수 있다.

상기 제2레이저 소자부의 제2반사기는 펌핑 빔에 대해서 무반사 코팅 특성을 갖도록 된 로우 헤르핀 인덱스 분산 브래그 반사기(low Herpin index DBR)일 수 있다.

펌핑 광의 입사면 및 복수의 레이저 소자부에서 발생되어 방출된후 레이저 소자로 재 입사되는 광의 입사면 중 적어도 어느 하나에 반사방지층;을 더 구비할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 레이저 시스템은 상기 레이저 소자와; 상기 레이저 소자의 복수의 레이저 소자부에 공통의 펌핑광을 제공하는 적어도 하나의 펌핑 광원과; 상기 복수의 레이저 소자부의 각 반사기와 공진기를 구성하는 복수의 외부 미러;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 복수의 레이저 소자부에서 각각 방출된 레이저광의 주파수를 변화시키는 복수의 2차 조화파 발생소자;를 더 포함할 수 있다.

상기 복수의 레이저 소자부는, 제1파장의 광을 발생시키는 제1활성층과, 이 제1활성층에서 발생된 광을 반사시키는 제1반사기를 포함하는 제1레이저 소자부와; 상기 제1파장과는 다른 제2파장의 광을 발생시키는 제2활성층과, 이 제2활성층에서 발생된 광을 반사시키는 제2반사기를 포함하는 제2레이저 소자부;를 포함하며, 상 기 제1 및 제2레이저 소자부로부터 방출되는 제1 및 제2파장의 광의 진행 경로를 분리하기 위한 파장 선택성 빔 분리기와; 상기 제1레이저 소자부의 제1반사기와 공진기를 구성하는 외부 미러는, 상기 레이저 소자로부터 이격되어 비스듬하게 배치된 제1미러, 상기 제1미러로부터 반사된 광을 다시 상기 제1미러로 반사하는 제2미러를 포함하며, 상기 제2레이저 소자부의 제2반사기와 공진기를 구성하는 외부 미러는, 상기 레이저 소자로부터 이격되어 비스듬하게 배치된 제3미러, 상기 제3미러로부터 반사된 광을 다시 상기 제3미러로 반사하는 제4미러를 포함할 수 있다.

상기 제1파장의 광의 진행 경로 상에 배치되어, 상기 제1파장의 광의 주파수를 변화시키는 제1 2차 조화파 발생소자와; 상기 제2파장의 광의 진행 경로 상에 배치되어, 상기 제2파장의 광의 주파수를 변화시키는 제2 2차 조화파 발생소자;를 더 포함할 수 있다.

상기 파장 선택성 빔 분리기와 상기 제1 2차 조화파 발생소자, 상기 파장 선택성 빔 분리기와 상기 제2 2차 조화파 발생소자 사이에 각각 배치되는 제1 및 제2복굴절 필터;를 더 포함할 수 있다.

상기 파장 선택성 빔 분리기는 상기 레이저 소자로부터 광이 입사되는 면에 상기 제1 및 제2파장 중 일 파장의 광을 반사시키는 파장 선택성 반사 코팅이 된 제1복굴절 필터이고, 상기 파장 선택성 빔 분리기에서 반사된 광의 경로 상에 제2복굴절 필터;를 더 구비할 수도 있다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명에 따른 수직 외부 공진기형 면발광 레이저 소자 및 이를 구비하는 레이저 시스템의 바람직한 실시예를 상세히 설명 한다.

본 발명에 따른 레이저 소자는 서로 다른 파장의 광을 발생시키는 복수의 레이저 소자부를 구비하며, 복수의 레이저 소자부에서 광을 발진시키는데 공통의 펌핑 광원을 사용한다. 이러한 본 발명의 레이저 소자는 단일 열확산기에 서로 다른 파장의 복수의 레이저 소자부의 에피 구조를 집적하여, 단일 유닛(single unit)에서 예를 들어, 듀얼(dual) 또는 적색(R), 녹색(G) 및 청색(G) 파장의 세가지 레이저광을 얻기 위한 발진이 가능하도록 할 수 있다.

이러한 본 발명에 다른 레이저 소자를 구비하는 레이저 시스템은, 복수의 레이저 소자부의 수에 대응되게 복수의 외부 공진기 구조를 구비하며, 복수의 2차 조화파 발생소자를 더 구비하여, 예를 들어, 듀얼 또는 적색(R), 녹색(G) 및 청색(G) 파장의 레이저광을 방출할 수 있다. 여기서, 본 발명에 따른 레이저 시스템이 2차 조화파 발생소자를 구비하는 이유는, 예를 들어, 청색인 460nm 파장의 방출하는 고출력 레이저는 아직까지 제조가 어려우므로, 주로 적외선 영역의 파장을 방출하는 수직 외부 공진기형 면발광 레이저 소자와 2차 조화파 발생소자를 결합하면 고출력의 청색이나 녹색을 얻을 수 있기 때문이다. 고출력의 청색이나 녹색광을 얻을 수 있는 수직 공진형 면발광 레이저 소자가 개발되면, 본 발명에 따른 레이저 시스템에서 2차 조화파 발생소자는 불필요하게 된다.

여기서, 본 발명의 레이저 소자 기술은 향후 개발되는 고출력의 청색이나 녹색광을 얻을 수 있는 수직 외부 공진기형 면발광 레이저 소자에도 적용될 수 있음은 물론이며, 본 발명의 레이저 소자 기술을 적용하면, 고출력의 복수 파장의 레이 저광을 발진할 수 있는 수직 외부 공진기형 면발광 레이저 소자를 실현할 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 레이저 소자가 두 개의 레이저 소자부를 구비하며, 레이저 시스템이 이에 적합하게 마련된 경우를 실시예로서 설명한다. 여기서, 본 발명에 따른 레이저 소자는 서로 다른 파장의 광을 생성하는 세 개 이상의 레이저 소자부를 구비할 수도 있으며, 이에 적합하게 레이저 시스템이 구성될 수도 있다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 소자(20)는, 서로 다른 파장의 광을 발생시키는 제1 및 제2레이저 소자부(30)(50)를 구비한다. 또한, 상기 레이저 소자(20)는, 제1 및 제2레이저 소자부(30)(50)에서 발생하는 열을 외부로 방출할 수 있는 열확산기(40)를 더 구비하는 것이 바람직하다. 상기 제1레이저 소자부(30), 열확산기(40) 및 제2레이저 소자부(50)는 스택 구조를 이룬다.

상기 제1레이저 소자부(30)는, 제1파장의 광을 발생시키는 제1활성층(31)과, 이 제1활성층(31)에서 발생된 광을 반사시키는 제1반사기(35)를 포함한다. 상기 제2레이저 소자부(50)는 제2파장의 광을 발생시키는 제2활성층(51)과, 이 제2활성층(51)에서 발생된 광을 반사시키는 제2반사기(55)를 포함한다.

상기 제1 및 제2레이저 소자부(30)(50)는 각각 예를 들어, 2차 조화파 발생에 의해 대략 460nm 파장의 청색광(B) 및 대략 532nm 파장의 녹색광(G) 을 얻을 수 있도록 하는 적외선 영역 파장의 광을 방출하도록 마련될 수 있다. 다른 예로서, 상기 제1 및 제2레이저 소자부(30)(50)는, 2차 조화파 발생에 의해 대략 460nm 파장의 청색광(B) 및 대략 625nm의 적색광(R), 또는 대략 532nm 파장의 녹색광(G) 및 대략 625nm의 적색광(R)을 얻을 수 있도록 하는 적외선 영역 파장의 광을 방출하도록 마련될 수 있다. 이외에도 상기 제1 및 제2레이저 소자부(30)(50)는 원하는 서로 다른 파장 영역의 광을 방출하도록 마련될 수 있다.

도 2는 상기 제1 및 제2레이저 소자부(30)(50)가 열확산기(40)의 서로 다른 면에 배치된 실시예를 보여준다. 이 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 소자(20)는 광이 방출되는 쪽에서부터, 제1활성층(31), 제1반사기(35), 열확산기(40), 제2활성층(51), 제2반사기(55) 순서로 된 스택(stack) 구조를 이룬다.

상기 제1 및 제2활성층(31)(51)은 각각 RPG(Resonant Periodic Gain) 구조를 갖는 다중 양자우물 구조로서, 펌핑 광에 의해 여기되어 소정의 파장을 갖는 광을 방출한다. 여기서, 상기 펌핑 광의 파장은 제1 및 제2활성층(31)(51)에서 광의 파장 즉, 제1 및 제2파장보다는 짧아야 한다.

상기 제1 및 제2반사기(35)(55)는 각각 분산 브래그 반사기(Distributed Bragg Reflector; DBR)로서, 상기 제1 및 제2활성층(31)(51)에서 각각 발생한 레이저광을 외부의 미러(도 8 참조)로 반사하여, 레이저광이 이 외부의 미러와 제1 및 제2반사기(35)(55) 사이에서 공진하도록 하는 고반사율의 미러층이다.

도 3a는 도 2의 제1레이저 소자부(30)의 제1반사기(35), 제1활성층(31)의 구조를 예시적으로 보여준다. 도 3b는 도 2의 제2레이저 소자부(50)의 제2반사기(55), 제2활성층(51)의 구조를 예시적으로 보여준다.

도 3a에 보여진 바와 같이, 제1활성층(31)은 다수의 양자우물층(31a)과 장벽층(31b)으로 구성된 RPG(Resonant Periodic Gain) 구조를 가질 수 있다. 도 3b에 보여진 바와 같이, 제2활성층(51)은 다수의 양자우물층(51a)과 장벽층(51b)으로 구성된 RPG(Resonant Periodic Gain) 구조를 가질 수 있다. 펌핑 광원(도 8 참조)에서 방출된 펌핑 광빔은 상기 양자우물층(31a)(51a)에서 흡수되며, 이에 따라 여기된 전자와 정공이 상기 양자우물층(31a)(51a) 내에서 재결합하면서 광이 방출된다. 방출된 광은 제1 및 제2반사기(35)(55) 각각과 대응하는 외부 미러 사이에서 정상파(standing wave)를 형성하는데, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 양자우물층(31a)(51a)은 펌핑된 광의 이득을 최대화하기 위해, 제1 및 제2반사기(35)(55) 각각과 대응하는 외부의 미러 사이에서 공진하는 레이저광들 중 중심 파장을 갖는 레이저광의 정상파의 안티노드(anit-node)(즉, 변위의 크기가 최대가 되는 점)에 위치한다. 여기서, 제1 및 제2활성층(31)(51)에서 발생하는 광의 파장은 양자 우물층(31a)(51a)을 이루는 각 원소의 조성비나 양자우물층(31a)(51a)의 두께에 따라 달라진다. 따라서, 양자우물층(31a)(51a)을 이루는 각 원소의 조성비나 양자우물층(31a)(51a)의 두께를 적절히 조절함으로써 제1 및 제2활성층(31)(51)에서 원하는 파장의 광을 생성할 수 있다. 일반적으로 각 원소의 조성비가 동일한 경우, 양자우물층의 두께가 두꺼울수록 장파장 광이 생성된다.

한편, 도 2에서와 같이, 제2레이저 소자부(50)에서 발생된 제2파장의 광이 제1레이저 소자부(30)를 경유하여 방출되도록 된 경우, 상기 제1 및 제2레이저 소자부(30)(50)는 제2파장이 제1파장보다 장파장이 되도록 형성되고, 상기 제1레이저 소자부(30)의 제1반사기(35)는 제2레이저 소자부(50)로부터 발생된 장파장(제2파장)의 레이징 빔(제2파장의 광)에 대해 무반사 코팅 특성을 갖도록 형성된 것이 바람직하다. 또한, 제2레이저 소자부(50)의 제2반사기(55)는 펌핑 빔에 대해서 무반사 코팅 특성을 갖도록 형성된 것이 바람직하다.

이를 위하여, 상기 제1레이저 소자부(30)의 제1반사기(35)는, 도 3a에 도시한 바와 같이, 하이 헤르핀 인덱스 분산 브래그 반사기(high Herpin index DBR, 이하, 하이 헤르핀 인덱스 DBR)로서 형성되고, 제2레이저 소자부(50)의 제2반사기(55)는 도 3b에 도시한 바와 같이, 로우 헤르핀 인덱스 분산 브래그 반사기(low Herpin index DBR, 이하, 로우 헤르핀 인덱스 DBR)로서 형성될 수 있다.

잘 알려져 있는 바와 같이, 일반적인 분산 브래그 반사기(DBR)는 특정 파장(λ)에 대해 λ/4 두께의 고굴절율 층과 λ/4 두께의 저굴절율층을 교대로 적층하여 형성된다. 즉, 특정 파장(λ)에 대한 고굴절율층의 λ/4 두께를 H, 저굴절율층의 λ/4 두께를 L이라 할 때, 일반적인 DBR은 H,L,H,L,H,L,.... 또는 L,H,L,H,L,H,....의 적층 구조를 가진다.

반면에, 하이 헤르핀 인덱스 DBR은

층 구조가 N번 반복되는

의 적층 구조를 가진다. 또한, 로우 헤르핀 인덱스 DBR은

층 구조가 N번 반복되는

의 적층 구조를 가진다.

도 4는 파장 및 굴절율 조건이 동일한 로우 헤르핀 인덱스(LHI) DBR과 하이 헤르핀 인덱스(HHI) DBR의 파장에 따른 반사율 특성을 비교하여 보인 그래프이다. 도 4의 결과는 "글래스(Glass)｜하이 헤르핀 인덱스(HHI) DBR

｜공기(Air)" 의 층 구조, "글래스(Glass) ｜로우 헤르핀 인덱스(LHI) DBR

｜공기(Air)" 의 층 구조에 대해 얻어진 결과이다.

도 4에서 알 수 있는 바와 같이 로우 헤르핀 인덱스 DBR은 특정 파장보다 작은 파장 범위에서 반사율이 거의 제로인 무반사 특성을 나타내며, 하이 헤르핀 인덱스 DBR은 특정 파장보다 큰 파장 범위에서 반사율이 거의 제로인 무반사 특성을 나타낸다.

따라서, 도 3a에 보여진 바와 같이, 상기 제1파장을 λa라 하고, 이 제1파장(λa)에 대해 고굴절율층의 λa/4 두께를 Ha, 저굴절율층의 λa/4 두께를 La라 할 때, 상기 제1반사기(35)는

층 구조가 N'번 반복되는

의 적층 구조를 가진다. 이에 따라, 제1반사기(35)는 그 양쪽 끝에

층(35a)이 존재하며, 그 층들 사이에는 La층(35b)과 Ha 층(35c)이 교대로 위치된 La,Ha,....,La층이 존재하게 된다.

또한, 도 3b에 보여진 바와 같이, 상기 제2파장을 λb라 하고, 이 제2파장(λb)에 대해 고굴절율층의 λb/4 두께를 Hb, 저굴절율층의 λb/4 두께를 Lb라 할 때, 상기 제2반사기(55)는

층 구조가 N"번 반복되는

의 적층 구조를 가진다. 이에 따라, 제2반사기(55)는 그 양쪽 끝에

층(55a)이 존재하며, 그 층들 사이에는 Hb층(55b)과 Lb 층(55c)이 교대로 위치된 Hb,Lb,....,Hb층이 존재하게 된다.

도 5a는 상기 제1반사기(35)를 제2파장(λb)의 광에 대해 무반사 코팅 특성을 갖고, 대략 920 nm 파장(제1파장(λa))의 광에 대해 최대의 고 반사율을 나타내도록 된 하이 헤르핀 인덱스(HHI) DBR로서 형성할 때의, 파장에 따른 반사율 R3(λ) 특성을 보인 그래프이다. 도 5a의 결과는 "활성층(Active)｜920nm용 하이 헤르핀 인덱스(HHI) DBR｜다이아몬드(Dia, 열환산기)" 의 층 구조에 대해 얻어진 것이다.

도 5b는 상기 제2반사기(55)를 펌핑 빔(예컨대, 808nm 파장의 펌핑빔)에 대해서 무반사 코팅 특성을 갖고, 대략 1060 nm 파장(제2파장(λb))의 광에 대해 최대의 고 반사율을 나타내도록 된 로우 헤르핀 인덱스(LHI) DBR로서 형성할 때의, 파장에 따른 반사율 R2(λ) 특성을 보인 그래프이다. 도 5b의 결과는 "다이아몬드(Dia, 열확산기(40))｜활성층(Active)｜1060nm용 로우 헤르핀 인덱스(LHI) DBR｜무반사코팅층(AR)｜공기(Air) 층 구조에 대해 얻어진 것이다.

도 5c는 도 5a 및 도 5b의 반사율 특성을 결합한 그래프로, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 및 제2반사기(35)(55)를 구비하는 레이저 소자에 대한, 파장에 따른 반사율 R1(λ) 특성을 보여준다.

도 5a로부터 알 수 있는 바와 같이, 하이 헤르핀 인덱스 DBR은 특정 파장(예 컨대, 제1파장)보다 큰 파장의 광에 대해서 반사율이 거의 제로가 된다. 따라서, 제1파장에 대해 최대 고 반사율을 나타내도록 된 하이 헤르핀 인덱스 DBR 구조의 제1반사기(35)는 제1파장보다 긴 파장인 제2파장의 광에 대해 무반사 코팅 특성을 갖게 된다.

또한, 도 5b로부터 알 수 있는 바와 같이, 로우 헤르핀 인덱스 DBR은 특정 파장(예컨대, 제2파장)보다 작은 파장의 광에 대해서 반사율이 거의 제로가 된다. 따라서, 제2파장에 대해 최대 고 반사율을 나타내도록 된 로우 헤르핀 인덱스 DBR 구조의 제2반사기(55)는 보다 짧은 파장의 펌핑 빔에 대해 무반사 코팅 특성을 가지게 된다.

따라서, 제2활성층(51)에서 발생된 제2파장의 광은 그 방출 방향에 위치된 제1레이저 소자부(30)의 제1반사기(35)를 거의 반사 없이 통과하게 되므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 소자에서는 제2레이저 소자부(50)의 제2활성층(51)에서 발진된 제2파장의 광이 출사 효율을 최대화할 수 있다. 따라서, 제1파장의 광뿐만 아니라, 제2파장의 광에 대해서도 고출력 발진이 가능하게 된다.

한편, 상기에서는 제2반사기(55)를 로우 헤르핀 인덱스 DBR로 구성하는 예를 설명하였는데, 그 이유는 다음과 같다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 소자(20)는 외부의 펌핑 광원에서 조사되는 펌핑 광에 의해 제1 및 제2활성층(31)(51)에서 펌핑이 일어난다. 이때, 펌핑 광은 후술하는 레이저 시스템의 실시예(도 8 참조)에서와 같이, 광이 방출되는 쪽으로부터 레이저 소자(20)에 비스듬히 조사되거나 레이저 소자(20) 하방에서 조사 될 수 있다. 또한, 양쪽에서 동시에 조사될 수도 있다.

따라서, 상기 제2반사기(55)를 로우 헤르핀 인덱스 DBR로 구성하면, 하방에서 조사되는 펌핑 광을 대부분 통과시켜 제2활성층(51)으로 입사되도록 할 수 있으므로, 펌핑 효율을 보다 높일 수 있다. 여기서, 하이 헤르핀 인덱스 DBR로서 형성된 제1반사기(35)는 도 5a의 반사율 특성 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 반사율이 최대화되는 특정 파장 예컨대, 제1파장보다 긴 파장 범위에서도 거의 무반사 특성을 가진다. 따라서, 하방에서 조사되는 펌핑 광의 대부분은 로우 헤르핀 인덱스 DBR로서 형성된 제2반사기(55)를 통과하여 제2활성층(51)에 조사될 뿐만 아니라, 제1반사기(35)를 통과하여 제1활성층(31)에 조사되게 된다.

이상에서는 제2레이저 소자부(50)에서 발생된 제2파장의 광이 제1레이저 소자부(30)를 경유하여 방출될 때, 제2파장이 제1레이저 소자부(30)에서 생성되는 광의 제1파장보다 장파장이면, 제1반사기(35)가 하이 헤르핀 인덱스 DBR로 구성되는 경우를 설명하였다.

다른 예로서, 제2레이저 소자부(50)에서 발생된 제2파장의 광이 제1레이저 소자부(30)를 경유하여 방출될 때, 제2파장이 제1레이저 소자부(30)에서 생성되는 광의 제1파장보다 단파장이면, 제1반사기(35)는 제1파장보다 짧은 제2파장의 광에 대해 무반사 특성을 가져야 하므로, 제1반사기(35)는 제2파장에 대해 거의 무반사 특성을 가지는 로우 헤르핀 인덱스 DBR로 구성될 수 있다. 이 경우, 제2반사기(55) 또한 펌핑 빔의 파장에 대해 거의 무반사 특성을 가지는 로우 헤르핀 인덱스 DBR로 구성될 수 있다. 이 다른 예에 대한 제1 및 제2반사기(35)(55)의 층 구조에 대해서 는 상기한 설명 및 도 3a 및 도 3b로부터 충분히 유추할 수 있으므로, 그 도시는 생략한다.

다시 도 2를 참조하면, 상기 열확산기(40)는, 상기 제1 및 제2레이저 소자부(30)(50)에서 발생하는 열을 외부로 방출하기 위한 것으로, 상기 제1 및 제2레이저 소자부(30)(50)에서 발생된 광 및 펌핑 광에 대해 투명 물질로 이루어진 것이 바람직하다. 도 2에서와 같이 제2레이저 소자부(50)가 열확산기(40)의 하방에 배치되는 구조인 경우, 상기 열확산기(40)는 적어도 제2레이저 소자부(50)에서 발생된 광 및 펌핑 광에 대해 투명 물질로 이루어져야 한다. 상기 열확산기(40)는, 예를 들어, 다이아몬드(diamond)나 실리콘 카바이드(SiC), Al₂O₃ 또는 그들 중 적어도 두 가지를 포함하는 물질 등과 같이 열확산능력이 큰 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 재질의 열확산기(40)는 상기 제1 및 제2레이저 소자부(50)에서 발생된 광 및 펌핑 광 모두에 대해 투명하다.

한편, 도 2에서는 제2레이저 소자부(50)의 제2반사기(55) 저면에 반사방지층(57) 즉, 무반사(Anti reflection) 코팅층이 마련된 예를 보여준다. 이 반사방지층(57)의 존재에 의해 제2레이저 소자부(50)로 입사되는 펌핑광의 양은 보다 증대될 수 있다.

상기 반사방지층(57)은 제1레이저 소자부(30)의 제1활성층(31) 상면(즉, 광 방출 및 재입사면)에도 마련될 수 있다. 이 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 소자(20)로 펌핑 광 및 재입사되는 광의 양을 보다 증대시킬 수 있다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직 외부 공진기형 면발광 레이저 소자(70)를 보여준다. 도 6에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 소자(70)는, 제1 및 제2레이저 소자부(30)(50)가 열확산기(40)의 동일면쪽에 스택 구조로 위치되는 점에 그 특징이 있는 것으로, 이 점을 제외한 나머지 구성은 도 2의 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 소자(20)와 실질적으로 동일하다.

도 6에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2레이저 소자부(30)(50)가 열확산기(40)의 동일 면쪽에 스택 구조로 위치될 때, 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 소자(70)는 광이 방출되는 쪽에서부터, 열확산기(40), 제1활성층(31), 제1반사기(35), 제2활성층(51), 제2반사기(55) 순서로 스택 구조를 이룬다.

도 7a 및 도 7b는 도 6에서와 같은 스택 구조를 이룰 때, 제1 및 제2반사기(35)(55)의 파장에 따른 반사율 R5(λ), R6(λ) 특성을 보여준다.

도 7a 결과는 "활성층(Active)｜920nm용 하이 헤르핀 인덱스(HHI) DBR｜GaAs" 의 층 구조에 대해 얻어진 것이다. 여기서는 제2레이저 소자부(50) 전체를 GaAs 층으로 보고 반사율 특성을 구한 것이다. 이 GaAs층은 실질적으로 도 7a의 반사율 특성에 영향을 미치지 않는다.

도 7b의 결과는 "활성층(Active)｜1060nm용 로우 헤르핀 인덱스(LHI) DBR｜무반사코팅층(AR)｜공기(Air)" 층 구조에 대해 얻어진 것이다.

도 7c는 도 7a 및 도 7b의 반사율 특성을 결합한 그래프로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1 및 제2반사기(35)(55)를 구비하는 레이저 소자(70)에 대한, 파장에 따른 반사율 R4(λ) 특성을 보여준다.

도 6에서와 같이 열확산기(40)의 한쪽에 제1 및 제2레이저 소자부(30)(50)를 스택한 경우에도, 도 7a로부터 알 수 있는 바와 같이, 하이 헤르핀 인덱스 DBR은 특정 파장(예컨대, 제1파장)보다 큰 파장의 광에 대해서 반사율이 거의 제로가 되며, 도 7b로부터 알 수 있는 바와 같이, 로우 헤르핀 인덱스 DBR은 특정 파장(예컨대, 제2파장)보다 작은 파장의 광에 대해서 반사율이 거의 제로가 된다. 따라서, 도 6의 스택 구조의 경우에도, 제1파장에 대해 최대 고 반사율을 나타내도록 된 하이 헤르핀 인덱스 DBR 구조의 제1반사기(35)는 긴 파장의 제2파장의 광에 대해 무반사 코팅 특성을 갖게 되며, 제2파장에 대해 최대 고 반사율을 나타내도록 된 로우 헤르핀 인덱스 DBR 구조의 제2반사기(55)는 보다 짧은 파장의 펌핑 빔에 대해 무반사 코팅 특성을 가지게 된다.

따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 소자(70)의 경우에도, 제2활성층(51)에서 발생된 제2파장의 광은 그 방출 방향에 위치된 제1레이저 소자부(30)의 제1반사기(35)를 거의 반사 없이 통과하게 되므로, 제2레이저 소자부(50)의 제2활성층(51)에서 발진된 제2파장의 광이 출사 효율을 최대화할 수 있어, 제1파장의 광뿐만 아니라, 제2파장의 광에 대해서도 고출력 발진이 가능하게 된다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 시스템은, 복수 파장의 광을 출사하는 레이저 소자(100)와, 이 레이저 소자(100)에 펌핑광을 제공하는 적어도 하나의 펌핑 광원(101)(105)과, 상기 레이저 소자(100)의 복수의 레이저 소 자부의 각 반사기와 공진기를 구성하는 복수의 외부 미러부를 포함하여 구성된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 시스템은, 상기 레이저 소자(100)의 복수의 레이저 소자부에서 각각 방출된 레이저광의 주파수를 변화시키는 복수의 2차 조화파 발생소자(125)(135)를 더 구비할 수 있다.

상기 레이저 소자(100)로는 도 2 내지 도 7c를 참조로 앞서 설명한 본 발명의 일 실시예 또는 다른 실시예에 따른 레이저 소자(20)(70)를 구비할 수 있다. 이하에서는, 상기 레이저 소자(100)가 도 2 내지 도 7c를 참조로 설명한바와 같은 제1 및 제2레이저 소자부(30)(50)를 구비하는 경우를 예를 들어 설명한다.

본 발명에 따른 레이저 시스템은, 상기 레이저 소자(100)의 제1 및 제2레이저 소자부(30)(50)로부터 방출되는 제1 및 제2파장(λa)(λb)의 광의 진행 경로를 분리하기 위한 파장 선택성 빔 분리기(110)와, 상기 제1레이저 소자부(30)의 제1반사기(35)와 공진기를 구성하는 제1외부 미러(123,127)와, 상기 제2레이저 소자부(50)의 제2반사기(55)와 공진기를 구성하는 제2외부 미러(133,137)를 더 구비할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 레이저 시스템은, 제1파장의 광의 진행 경로 상에 제1복굴절 필터(121), 제2파장의 광의 진행 경로 상에 제2복굴절 필터(131)를 더 구비할 수 있다.

상기 레이저 소자(100)가 제1 및 제2레이저 소자부(30)(50)를 구비하여, 제1 및 제2파장의 레이저광을 방출하도록 된 경우, 상기 복수의 2차 조화파 발생소자(125,135)는 제1파장(λa)의 광의 진행 경로 상에 배치되어 제1파장(λa)의 광의 주파수를 변화시켜 제3파장(λa/2)의 광이 되도록 하는 제1 2차 조화파 발생소자(125)와, 제2파장(λb)의 광의 진행 경로 상에 배치되어 이 제2파장(λb)의 광의 주파수를 변화시켜 제4파장(λb/2)의 광이 되도록 하는 제2 2차 조화파 발생소자(135)를 포함한다.

상기 제1파장(λa)의 광 예컨대, 중심파장이 대략 920nm인 광은 제1 2차 조화파 발생소자(125)를 통과하면서 제3파장(λa/2)의 광 예컨대, 중심 파장이 대략 460nm인 청색광이 된다. 상기 제2파장(λb)의 광 예컨대, 중심파장이 대략 1060nm인 광은 제2 2차 조화파 발생소자(135)를 통과하면서 제4파장(λb/2)의 광 예컨대, 중심 파장이 대략 530nm인 녹색광이 된다.

한편, 상기 제1 및 제2 2차 조화파 발생소자(125)(135)는 매우 좁은 파장 영역에서만 높은 파장 변환 효율을 갖는 특성이 있다.

예를 들어, 상기 제1 및 제2 2차 조화파 발생소자(125)(135)로 사용될 수 있는 2차 조화파 발생(SHG) 결정은 일반적으로 매우 좁은 반치폭(Full-Width at Half Maximum; FWHM)의 파장-변환 효율 특성을 갖는다. 예컨대, SHG 결정으로서 PPSLT(Periodically Poled stoichiometric Lithium Tantalate)를 사용하는 경우, 반치폭은 약 0.1~0.2nm 정도이다. 반면에, 일반적으로 수직 외부 공진기형 면발광 레이저 소자에서 출력되는 적외선 영역의 레이저광의 반치 폭은 상대적으로 크다.

따라서, 상기 제1 및 제2복굴절 필터(121)(131)는, 좁은 특정 파장대역의 레이저광만을 통과시켜, 이 특정 파장대역의 레이저광만이 공진에 참여하도록 하는 역할을 하므로, 상기 제1복굴절 필터(121)는 파장 선택성 빔 분리기(110)와 제1 2 차 조화파 발생소자(125) 사이에 배치되고, 제2복굴절 필터(131)는 파장 선택성 빔 분리기(110)와 제2 2차 조화파 발생소자(135) 사이에 배치되는 것이 바람직하다.

이와 같이, 제1 및 제2복굴절 필터(121)(131)를 배치함에 의해 제1 및 제2 2차 조화파 발생소자(125)(135)로 진행하는 제1 및 제2파장(λa)(λb)의 광에 대한 반치폭을 보다 좁힐 수 있기 때문에, 파장 변환 효율을 보다 증가시킬 수 있다.

상기 제1외부 미러(123,127)는, 제1레이저 소자부(30)의 제1반사기(35)와 공진기를 구성하기 위한 것으로, 상기 레이저 소자부(100)로부터 이격되어 비스듬하게 배치된 제1미러(123), 상기 제1미러(123)로부터 반사된 광을 다시 상기 제1미러(123)로 반사시켜 상기 제1반사기(35)와 함께 공진기를 형성하는 제2미러(127)를 포함한다.

상기 제2외부 미러(133,137)는, 제2레이저 소자부(50)의 제2반사기(55)와 공진기를 구성하기 위한 것으로, 상기 레이저 소자(100)로부터 이격되어 비스듬하게 배치된 제3미러(133), 상기 제3미러(133)로부터 반사된 광을 다시 상기 제3미러(133)로 반사시켜 상기 제2반사기(55)와 함께 공진기를 형성하는 제4미러(137)를 포함한다.

상기 제1 2차 조화파 발생소자(125)는 상기 제1 및 제2미러(123)(127) 사이의 광경로 상에 배치되는 것이 바람직하다. 상기 제1복굴절 필터(121)는 파장 선택성 빔 분리기(110)와 제1미러(123) 사이에 배치될 수 있다. 상기 제2 2차 조화파 발생소자(135)는 제3 및 제4미러(133)(137) 사이의 광경로 상에 배치되는 것이 바람직하다. 상기 제2복굴절 필터(131)는 파장 선택성 빔 분리기(110)와 제3미러 (133) 사이에 배치될 수 있다.

한편, 제1 및 제2복굴절 필터(121)(131)를 각각 통과한 제1 및 제2파장(λa)(λb)의 레이저광은 각각 제1 및 제3미러(123)(133)에 의해 반사되고 제1 및 제2 2차 조화파 발생소자(125)(135)로 진행한다. 일반적으로 SHG 결정의 변환 효율은 입사광의 세기가 클수록 증가한다. 따라서, 제1 및 제2파장(λa)(λb)의 레이저광이 각각 제1 및 제2 2차 조화파 발생소자(125)(135)에 포커싱될 수 있도록 상기 제1 및 제3미러(123)(133)의 반사면은 오목면인 것이 바람직하다. 또한, 제2 및 제4미러(127)(137)의 반사면은, 반사된 레이저광이 최초의 경로를 따라 되돌아갈 수 있도록 평면인 것이 바람직하다.

상기 제1 및 제2미러(123)(127)는 파장에 따라 다른 반사도와 투과도를 갖도록 코팅된다. 예를 들어, 상기 제1미러(123)는 제1 2차 조화파 발생소자(125)에 의해 파장 변환된 제3파장(λa/2)의 레이저광에 대해 약간의 투과성을 갖는 반면, 파장 변환되지 않은 제1파장(λa)의 레이저광에 대해 고반사도를 갖도록 코팅될 수 있다. 또한, 제2미러(127)는 파장 변환된 제3파장(λa/2)의 레이저광에 대해 고반사도를 갖는 반면, 파장 변환되지 않은 제1파장(λa)의 레이저광에 대해 약간의 투과성을 갖도록 코팅될 수 있다. 이에 의해, 제1레이저 소자부(30)에서 발생되고 제1 2차 조화파 발생소자(125)에 의해 파장 변환된 제3파장(λa/2)의 레이저광은 제1미러(123)를 통하여 방출된다.

마찬가지로, 상기 제3 및 제4미러(133)(137)는 파장에 따라 다른 반사도와 투과도를 갖도록 코팅된다. 예를 들어, 상기 제3미러(133)는 제2 2차 조화파 발생 소자(135)에 의해 파장 변환된 제4파장(λb/2)의 레이저광에 대해 약간의 투과성을 갖는 반면, 파장 변환되지 않은 제2파장(λb)의 레이저광에 대해 고반사도를 갖도록 코팅될 수 있다. 또한, 제4미러(137)는 파장 변환된 제4파장(λb/2)의 레이저광에 대해 고반사도를 갖는 반면, 파장 변환되지 않은 제2파장(λb)의 레이저광에 대해 약간의 투과성을 갖도록 코팅될 수 있다. 이에 의해, 제2레이저 소자부(50)에서 발생되고 제2 2차 조화파 발생소자(135)에 의해 파장 변환된 제4파장(λb/2)의 레이저광은 제3미러(133)를 통하여 방출된다.

따라서, 제1 및 제2 2차 조화파 발생소자(125)(135)에 의해 주파수가 2배로 증가하여 얻어진 예컨대, 가시광선 영역의 제3 및 제4파장(λa)(λb)의 레이저광은 각각 제2 및 제4미러(127)(137)에 의해 다시 제1 및 제3미러(123)(133)로 반사된 후, 상기 제1 및 제3미러(123)(133)를 통해 각각 외부로 출력된다.

또한, 제1 및 제3미러(123)(133)를 경유하여 상기 제2미러(127)와 제1반사기(35), 제4미러(137)와 제2반사기(55) 사이에서 공진하는 레이저광 중에서, 상기 제1 및 제2 2차 조화파 발생소자(125)(135)에 의해 주파수가 변환되지 않은, 예컨대, 적외선 영역의 제1 및 제2파장(λa)(λb)의 레이저광은 제2 및 제4미러(127)(137)를 통해 외부로 출력될 수 있다.

한편, 이상에서는 본 발명에 따른 레이저 시스템이 파장 선택성 빔 분리기(110), 제1 및 제2복굴절 필터(121)(131)를 구비하는 것으로 설명하였는데, 본 발명에 따른 레이저 시스템은, 파장 선택성 빔 분리기(110)로 레이저 소자로부터 광이 입사되는 면에 제1 및 제2파장(λa)(λb) 중 일 파장의 광을 반사시키는 파장 선택성 반사 코팅이 된 복굴절 필터를 구비하고, 이 파장 선택성 빔 분리기(220)를 반사한 광의 진행 경로 상에 위치된 제2복굴절 필터(131)는 남겨두고, 도 8에서 제1복굴절 필터(121)는 제거한 구조를 가질 수도 있다. 이에 대해서는 도 8로부터 충분히 유추할 수 있으므로, 그 도시는 생략한다.

한편, 도 8에서는 본 발명에 따른 레이저 시스템이 레이저 소자(100)의 상방에서 비스듬히 펌핑 광을 조사하는 제1펌핑 광원(101) 및 레이저 소자(100)의 하방에서 펌핑 광을 조사하는 제2펌핑 광원(105)을 구비하는 예를 보여준다. 본 발명에 따른 레이저 시스템은, 상기 제1 및 제2펌핑 광원(101)(105) 중 어느 하나만 구비할 수도 있다.

상기 제1 및 제2펌핑 광원(101)(105)으로 반드시 레이저 광원을 사용할 필요는 없으며, 레이저 광원 또는 다른 종류의 광원을 사용할 수도 있다. 이 제1 및 제2펌핑 광원(101)(105)에서 조사되는 펌핑 광의 파장은 전술한 바와 같이 레이저 소자(100)에서 발진되는 제1 및 제2파장(λa)(λb)보다 짧아야 한다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 컴팩트한 부피 및 제조 단가 절감을 실현할 수 있도록 복수 파장의 레이저광을 발생시키는 수직 외부 공진기형 면발광 레이저 소자를 및 이를 구비하는 레이저 시스템을 실현할 수 있다.

Claims

광을 발생시키는 활성층과, 상기 활성층에서 발생된 광을 반사시켜 외부 미러와 함께 공진기를 구성하는 반사기를 각각 포함하는, 서로 다른 파장의 광을 발생시키는 복수의 레이저 소자부를 구비하며,

공통의 펌핑 광원을 사용하여 상기 복수의 레이저 소자부의 활성층에서 펌핑이 이루어지도록 된 것을 특징으로 하는 수직 외부 공진기형 면발광 레이저 소자.
제1항에 있어서, 상기 복수의 레이저 소자부에서 발생하는 열을 외부로 방출할 수 있는 열확산기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 소자.
제2항에 있어서, 상기 열확산기는 상기 복수의 레이저 소자부에서 발생된 광 및 펌핑 광에 대해 투명 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저 소자.
제3항에 있어서, 상기 열확산기는, 다이아몬드, 실리콘 카바이드(SiC) 및 Al₂O₃를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 소자.
제2항에 있어서, 상기 복수의 레이저 소자부는,

제1파장의 광을 발생시키는 제1활성층과, 이 제1활성층에서 발생된 광을 반사시키는 제1반사기를 포함하는 제1레이저 소자부와;

상기 제1파장과는 다른 제2파장의 광을 발생시키는 제2활성층과, 이 제2활성층에서 발생된 광을 반사시키는 제2반사기를 포함하는 제2레이저 소자부;를 포함하며,

상기 제1 및 제2레이저 소자부는, 상기 열확산기의 동일면쪽에 스택 구조로 위치되어, 광이 방출되는 쪽에서부터, 열확산기, 제1활성층, 제1반사기, 제2활성층, 제2반사기 순서로 스택 구조를 이루도록 된 것을 특징으로 하는 레이저 소자.
제5항에 있어서,

상기 제2파장이 상기 제1파장보다 장파장일 때, 상기 제1레이저 소자부의 제1반사기는 상기 제2레이저 소자부로부터 발생된 장파장의 레이징 빔에 대해서 무반사 코팅 특성을 갖도록 된 하이 헤르핀 인덱스 분산 브래그 반사기(high Herpin index DBR)로 형성되고,

상기 제2파장이 상기 제1파장보다 단파장일 때, 상기 제1레이저 소자부의 제1반사기는 상기 제2레이저 소자부로부터 발생된 단파장의 레이징 빔에 대해서 무반사 코팅 특성을 갖도록 된 로우 헤르핀 인덱스 분산 브래그 반사기(low Herpin index DBR)로 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 소자.
제6항에 있어서,

상기 제2레이저 소자부의 제2반사기는 펌핑 빔에 대해서 무반사 코팅 특성을 갖도록 된 로우 헤르핀 인덱스 분산 브래그 반사기(low Herpin index DBR)인 것을 특징으로 하는 레이저 소자.
제2항에 있어서, 상기 복수의 레이저 소자부는,

제1파장의 광을 발생시키는 제1활성층과, 이 제1활성층에서 발생된 광을 반사시키는 제1반사기를 포함하는 제1레이저 소자부와;

상기 제1파장과는 다른 제2파장의 광을 발생시키는 제2활성층과, 이 제2활성층에서 발생된 광을 반사시키는 제2반사기를 포함하는 제2레이저 소자부;를 포함하며,

상기 제1 및 제2레이저 소자부는, 상기 열확산기의 서로 다른 면에 위치되어, 광이 방출되는 쪽에서부터 제1활성층, 제1반사기, 열확산기, 제2활성층, 제2반사기 순서로 스택 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 레이저 소자.
제8항에 있어서,

상기 제2파장이 상기 제1파장보다 장파장일 때, 상기 제1레이저 소자부의 제1반사기는 상기 제2레이저 소자부로부터 발생된 장파장의 레이징 빔에 대해서 무반사 코팅 특성을 갖도록 된 하이 헤르핀 인덱스 분산 브래그 반사기(high Herpin index DBR)로 형성되고,

상기 제2파장이 상기 제1파장보다 단파장일 때, 상기 제1레이저 소자부의 제 1반사기는 상기 제2레이저 소자부로부터 발생된 단파장의 레이징 빔에 대해서 무반사 코팅 특성을 갖도록 된 로우 헤르핀 인덱스 분산 브래그 반사기(low Herpin index DBR)로 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 소자.
제9항에 있어서,

상기 제2레이저 소자부의 제2반사기는 펌핑 빔에 대해서 무반사 코팅 특성을 갖도록 된 로우 헤르핀 인덱스 분산 브래그 반사기(low Herpin index DBR)인 것을 특징으로 하는 레이저 소자.
제1항에 있어서, 펌핑 광의 입사면 및 복수의 레이저 소자부에서 발생되어 방출된후 레이저 소자로 재 입사되는 광의 입사면 중 적어도 어느 하나에 반사방지층;을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 소자.
청구항 1항 내지 11항 중 어느 한 항의 레이저 소자와;

상기 레이저 소자의 복수의 레이저 소자부에 공통의 펌핑광을 제공하는 적어도 하나의 펌핑 광원과;

상기 복수의 레이저 소자부의 각 반사기와 공진기를 구성하는 복수의 외부 미러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템.
제12항에 있어서, 상기 복수의 레이저 소자부에서 각각 방출된 레이저광의 주파수를 변화시키는 복수의 2차 조화파 발생소자;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템.
제12항에 있어서, 상기 복수의 레이저 소자부는,

제1파장의 광을 발생시키는 제1활성층과, 이 제1활성층에서 발생된 광을 반사시키는 제1반사기를 포함하는 제1레이저 소자부와;

상기 제1파장과는 다른 제2파장의 광을 발생시키는 제2활성층과, 이 제2활성층에서 발생된 광을 반사시키는 제2반사기를 포함하는 제2레이저 소자부;를 포함하며,

상기 제1 및 제2레이저 소자부로부터 방출되는 제1 및 제2파장의 광의 진행 경로를 분리하기 위한 파장 선택성 빔 분리기와;

상기 제1레이저 소자부의 제1반사기와 공진기를 구성하는 외부 미러는, 상기 레이저 소자로부터 이격되어 비스듬하게 배치된 제1미러, 상기 제1미러로부터 반사된 광을 다시 상기 제1미러로 반사하는 제2미러를 포함하며,

상기 제2레이저 소자부의 제2반사기와 공진기를 구성하는 외부 미러는, 상기 레이저 소자로부터 이격되어 비스듬하게 배치된 제3미러, 상기 제3미러로부터 반사된 광을 다시 상기 제3미러로 반사하는 제4미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템.
제14항에 있어서, 상기 제1파장의 광의 진행 경로 상에 배치되어, 상기 제1 파장의 광의 주파수를 변화시키는 제1 2차 조화파 발생소자와;

상기 제2파장의 광의 진행 경로 상에 배치되어, 상기 제2파장의 광의 주파수를 변화시키는 제2 2차 조화파 발생소자;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템.
제15항에 있어서, 상기 파장 선택성 빔 분리기와 상기 제1 2차 조화파 발생소자, 상기 파장 선택성 빔 분리기와 상기 제2 2차 조화파 발생소자 사이에 각각 배치되는 제1 및 제2복굴절 필터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템.
제14항에 있어서, 상기 파장 선택성 빔 분리기는 상기 레이저 소자로부터 광이 입사되는 면에 상기 제1 및 제2파장 중 일 파장의 광을 반사시키는 파장 선택성 반사 코팅이 된 제1복굴절 필터이고,

상기 파장 선택성 빔 분리기에서 반사된 광의 경로 상에 제2복굴절 필터;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템.